«То, что мы создали, по сути, представляет собой систему, которая локализует эпицентр инфекции и обеспечивает отслеживание активности бактерий в режиме реального времени, давая нам быструю обратную связь о том, как бактерии реагируют на антибиотики», — говорит главный исследователь Санджай Джейн, доктор медицины, специалист по инфекционным заболеваниям. в Детском центре Джона Хопкинса и директор Центра визуализации и исследований воспаления при Джонсе Хопкинсе.Описывая свою работу в выпуске журнала Science Translational Medicine от 22 октября, команда говорит, что простота, скорость и точность модели визуализации могут изменить способ диагностики, мониторинга и лечения опасных бактериальных инфекций. Хотя работа проводилась на мышах, исследователи говорят, что клиническое применение на людях может произойти быстро, потому что система использует уже доступные устройства для визуализации — сканирование ПЭТ — и материалы.
«Наш подход позволяет быстро и надежно обнаруживать инфекции, вызванные определенными грамотрицательными микроорганизмами, и может ускорить диагностику и лечение, исключив многодневное ожидание результатов лабораторных анализов», — говорит соавтор исследования Эдвард Вайнштейн, доктор медицинских наук, специалист по инфекционным заболеваниям в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса. «Возможно, что более важно, методика может дать нам критическое представление об основных механизмах болезни и может помочь нам быстро оценить эффект лекарственной терапии».По словам исследователей, новый метод превосходит существующие инструменты визуализации, поскольку он избирательно прецизионно нацелен на общий класс грамотрицательных бактерий, известных как Enterobacteriaceae, который включает в себя заведомо вирулентные микробы, такие как кишечная палочка, сальмонелла, клебсиелла и десятки других. патогены, которые могут быть особенно опасными для госпитализированных людей.
Исследовательская группа отмечает, что некоторые из микробов в классе также могут быть использованы в качестве биологического оружия.Современные инструменты визуализации, такие как компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и ПЭТ, используют воспаление в качестве суррогата для диагностики и мониторинга инфекции, говорят исследователи. Однако воспаление, которое является реакцией организма на инфекцию, а не саму инфекцию, не является специфическим для бактерий и не может отличить настоящие инфекции от неинфекционного воспаления, такого как воспаление, вызванное раком.Новая модель возникла в результате творческого сочетания существующей технологии ПЭТ-сканирования — сложной системы трехмерной визуализации для визуализации опухолей — с ингредиентом, обычно используемым в продуктах без сахара, известным как сорбит.
Модель основана на любви грамотрицательных бактерий к сорбиту, который они легко впитывают. Напротив, другие классы бактерий и других микроорганизмов, раковые и человеческие клетки не поглощают сорбит. Исследователи выдвинули гипотезу, что преобразование уже доступного индикатора изображения ПЭТ в сорбит с радиоактивной меткой будет выборочно метить и освещать скопления грамотрицательных бактерий внутри тела. Это было так.
Когда исследователи вводили мышам грамотрицательную бактерию E. coli в одно бедро и безвредные мертвые бактерии в другое бедро, обе инъекции вызывали воспаление. Однако только скопление живой кишечной палочки привлекло радиоиндикатор и осветило экран — критическая особенность, которая позволила исследователям отличить настоящую бактериальную инфекцию от неинфекционного воспаления. Когда исследователи ввели в одно бедро грамотрицательную кишечную палочку, а в другое бедро — грамположительную бактерию Staphyloccocus aureus, радиоиндикатор осветил только бедро, инфицированное грамотрицательным организмом. Другими словами, индикатор, содержащий сорбит, позволяет различать бактериальное и стерильное воспаление, а также инфекции, вызванные различными классами бактерий.
Затем исследователи сравнили, как их модифицированный индикатор помогает отличить воспаление мозга, вызванное кишечной палочкой, от воспаления мозга, вызванного раком. Индикатор надежно и предсказуемо осветил горячие точки E. coli в головном мозге, но не опухолевые клетки мозга.Исследователи объясняют, что при подозрении на серьезные лекарственно-устойчивые инфекции пациентам обычно назначают антибиотики широкого спектра действия в ожидании — часто в течение нескольких дней — лабораторных тестов, чтобы определить конкретный организм, ответственный за инфекцию, и какие лекарства следует использовать. Антибиотики широкого спектра действия лечат сразу множество бактерий, но их частое и неизбирательное использование в последние годы усилило лекарственную устойчивость, в результате чего многие патогены стали невосприимчивыми к обычным антибиотикам.
«Использование антибиотиков широкого спектра действия мало чем отличается от стрельбы из пушечного ядра, чтобы убить муху», — говорит соавтор исследования Альваро Ордонез, доктор медицины, научный сотрудник Медицинской школы Университета Джона Хопкинса по педиатрическим инфекционным заболеваниям. «Хотя такое лечение клинически оправдано для пациентов с серьезными инфекциями неизвестного происхождения, оно способствует устойчивости к бактериям, поэтому долгосрочная цена, которую платят пациенты и врачи, довольно высока».Ордоньес добавляет, что быстрое знание того, какой организм вызывает инфекцию у пациента и какой антибиотик может убить бактерии, может серьезно снизить затраты. Именно здесь новая система визуализации может сыграть решающую роль. В отдельной серии экспериментов исследователи показали, что их система визуализации быстро фиксировала реакцию бактерий на лекарственное лечение в режиме реального времени.
Направленные подходящим антибиотиком, умирающие бактерии производили заметно и все более слабое изображение. Напротив, когда бактерии не реагировали на антибиотик, сила сигнала оставалась такой же интенсивной, как и всегда, что означало неудачу лечения.
Получение такой быстрой обратной связи в течение нескольких часов, а не дней, может существенно повлиять на решение о лечении.«Раннее выявление бактериальной чувствительности к лекарственным препаратам может не только помочь пациентам быстрее вылечиться, дав им правильный антибиотик, но и в долгосрочной перспективе может сэкономить системе здравоохранения США миллиарды долларов на ненужном медикаментозном лечении», — говорит Джейн.